学习要求
通过本章学习，应了解建筑性能化防火设计的主要内容；熟悉烟气模拟计算分析手段和烟气羽流有关参数的计算方法；掌握烟气流动几种计算模型的适用条件；了解人员安全疏散计算模拟分析手段和影响人员安全疏散的因素；熟悉通用疏散分析模型及特性；掌握疏散安全所需时间的组成和计算方法；了解建筑结构的主要形式及其耐火性能的特点，以及钢结构、钢筋混凝土结构的耐火计算方法以及整体结构计算的方法和步骤；掌握影响建筑构件耐火性能的主要因素。
本章介绍了性能化防火设计方法，包括建筑性能化防火设计可以解决的问题，火灾场景的确定以及烟气模拟计算分析、人员安全疏散计算模拟分析和结构耐火分析等内容。
本节介绍了性能化防火设计方法的概念及性能化防火设计的主要内容。
一、性能化防火设计产生的背景
随着生产力的发展和社会财富的积累，火灾发生的频率和造成的损失越来越大，火灾的防治技术也越来越受到人们的重视。1666 年 9 月英国伦敦发生火灾，大火持续了 4 天，约 80% 的城市建筑设施被烧毁。为了防止建筑物之间火灾的蔓延，英国制定了第一部有关消防的建筑规范，规定了建筑物之间的最小间距，并对建筑材料的使用进行了限制性规定。同样，世界各国的建筑防火设计规范都是长期以来人们与火灾斗争过程中总结出来的防火灭火经验的体现，同时综合考虑了当时的社会经济水平、科技水平以及其他国家的相关经验。这些规范中大多数规定是依照建筑物的用途、规模和结构形式等提出的，并且详细地规定了防火设计必须满足的各项设计指标或参数，设计人员不需要复杂的计算和分析过程，容易理解和掌握。
由于每座建筑的结构、用途及内部可燃物的数量和分布情况千差万别，因此按照规范统一给定的设计参数得到的设计方案，不一定是最合理和最有效的。特别是随着科学技术和经济的发展，各种复杂的、多功能的建筑迅速增多，新材料、新工艺、新技术和新的建筑结构形式不断涌现，对建筑的消防设计提出了新的要求，出现了许多规范难以解决的消防设计问题。在这种形势下，20世纪 70 年代出现了性能化防火设计的概念，到现在为止，性能化防火设计已被十多个国家所接受，并成为当前国际建筑防火设计领域研究的重点。
性能化防火设计是指根据工程使用功能和消防安全要求，运用消防安全工程学原理，采用先进适用的计算分析工具和方法，通过对建设环境中设定火灾场景的火灾风险量化和分析进而对建设工程消防设计、方案进行综合分析评估，判断建筑抵御火灾的性能指标是否满足预设的消防安全目标，从而优化消防设计方案的工作方法。
性能化防火设计是社会经济发展的必然趋势，它的出现与火灾科学和消防安全工程学的发展是分不开的。从 19 世纪末英国出现了利用金属受热膨胀原理制成的感温火灾自动探测装置以来，消防工程技术的发展已有 100多年的历史。1946 年第一台电子管计算机在美国研制成功，半导体和微电子技术发展迅速，计算机技术在社会各领域得到了充分的应用，消防工程技术也随之得到快速提升，各种智能化的火灾探测和自动灭火系统不断涌现。特别是大容量高性能计算工作站的出现，科学计算的能力越来越强大，使得对大量复杂的火灾数据的迅速分析和处理成为现实，这些都为性能化防火设计的发展提供了基础。
火灾科学与消防工程是一门以火灾发生与发展规律和火灾预防与扑救技术为研究对象的新兴综合性学科，是综合反映火灾防治科学技术的知识体系。火灾科学是反应火灾发生与发展规律的知识，如物质的燃烧与爆炸机理、火焰的化学反应机理、燃烧抑制与灭火机理、烟气的生成及毒性和火灾的发展、蔓延与控制等基础理论内容。消防工程是反映应用科学与工程原理防治火灾的知识，如对火灾危险性和危害性的分析评估、火灾模化、建筑防火技术、火灾探测报警技术、自动灭火技术、阻燃与耐火技术、火灾原因鉴定技术、火场通信指挥技术，以及人在火灾中的行为和反应，包括体能、心理和生理等，是消防的应用基础理论和应用技术部分。性能化防火设计是建立在火灾科学和消防工程学基础之上的一门应用技术，它的出现是火灾科学和消防工程学发展到一定阶段的必然结果。
美国、英国、日本、澳大利亚等国从 20 世纪 70 年代起就开展了性能化防火设计的相关研究，如火灾增长分析、烟气运动分析、人员安全疏散分析、建筑结构耐火分析和火灾风险评估等，并取得了一些比较实用的成果，各国纷纷制定性能化防火设计规范和指南等文件。
二、性能化防火设计的主要内容
（一）确定设计火灾场景与设定火灾
火灾场景是对一次火灾整个发展过程的定性描述，该描述确定了反映该次火灾特征并区别于其他可能发生火灾的关键事件。火灾场景通常要定义火灾发生、增长、完全发展和衰减等阶段，以影响火灾发展过程的各种系统和环境条件。
火灾场景的特征必须包括对火灾引燃、增长和熄灭的描述，同时伴随烟和火蔓延的可能途径以及任何灭火设施的作用。此外，还要考虑每一个火灾场景的可能后果。
描述火灾增长的模型目前主要有火灾模型的温度描述（时间温度曲线）和火灾模型的热释放速率描述两类。时间温度曲线主要用于计算构件温度，热释放速率模型主要用于计算烟气温度、构件温度和运用区域模型进行火灾模拟等。
在运用火灾模拟模型进行性能化防火设计与评估时，主要依据火灾的热释放速率模型。火灾的热释放速率曲线能否代表火灾的真实情况，直接影响性能化防火设计与评估的可靠性及其应用。
热释放速率曲线可直接通过火灾实验获得，但由于实体火灾实验的费用较高，此类可用的实验数据较少，而较多的是中型火灾实验与实验室规模的火灾实验数据（如锥形量热计、墙角实验、单体燃烧实验、大型锥形量热计和基于质量损失速率的测试方法）。当无法找到待设计的可燃组件的实验数据时，可以采用类似的火灾实验数据替代。
在一定种类可燃物分布和相应的通风条件下，火灾发展的最大热释放速率主要受最大的火源面积控制。点火初期火源的面积对火灾的增长将产生较大影响，可以将点火初期的火源面积理解为点火源的能量。
可燃物的火焰蔓延速度是指可燃物点火后沿水平和空间方向的蔓延速度，由于可燃物在空间上的蔓延速度对火灾蔓延的影响十分复杂，目前多采用水平方向的蔓延速度描述火灾发展的面积。
（二）确定不同类型建筑的火灾荷载密度
火灾荷载密度是可以比较准确地衡量建筑物室内所容纳可燃物数量的一个参数，是研究火灾全面发展阶段性状的基本要素。在建筑物发生火灾时，火灾荷载密度直接决定着火灾持续时间的长短和室内温度的变化情况。建筑物内的可燃物可分为固定可燃物和容载可燃物两类。固定可燃物的数量可通过建筑物的设计图样准确地求得。容载可燃物数量很难准确计算，一般需调查统计确定。
目前国内尚无火灾荷载密度方面的调查统计数据，国外发达国家如美国、加拿大、日本等有一些这方面的调查统计数据。
（三）烟气运动的分析方法
在一定的建筑空间和火灾规模条件下，烟气的生成量主要取决于羽流的质量流量，它是进行火灾模拟、火灾及烟气发展评价和防排烟设计的基础。由于火灾烟气的复杂性，目前的羽流计算多采用基于实际火灾实验的半经验公式，比较著名的有 Zukoski 模型、Thomas-Hinkley 模型、McCaffrey 模型等，但这些模型有着各自不同的实验基础和适用条件，对同一问题各模型得出的结果往往存在着差异，世界上几个著名的建筑火灾区域模拟软件（如CFAST、MRFC等）都采用了不同的羽流模型，这给火灾的烟气运动分析带来了困难。
上述计算模型中，Zukoski(1)、Zukoski(2) 和 NFPA 模型适用于小面积火源条件下的羽流质量流量计算，Thomas-Hinkley 模型适用于大面积火源条件下的羽流质量流量计算，McCaffrey 模型既适用于小面积火源，也适用于大面积火源条件下的羽流质量流量计算。另外，各国还在积极开发新的烟气运动分析模型，如场模型、场-区-网模型等。
（四）人员安全疏散分析
各国对于建筑物内消防安全疏散中人员的疏散时间的计算方法，在理论上基本一致，但具体时间确定和疏散指标方面存在一定差异。人员安全疏散设计与评估必须考虑我国的实际情况和分析影响人员疏散时间的主要因素，根据建筑物的内部特征、使用人员特性和建筑物内消防设施情况及其影响等，确定安全疏散设计原则和疏散的模拟计算方法，并在预测计算的基础上与国家标准的规定进行比较，最后确定合理的人员疏散时间。
在该部分的设计与评估中，重点是解决疏散安全的评估（验证）方法，根据模型的假设条件、不同建筑内人员在火灾中的行为与心理特征，比较准确地考虑相关不确定性所带来的影响。
（五）主动消防设施的对火反应特性分析
在很多建筑物中设有自动喷水灭火系统或其他自动灭火系统（如干粉、气体、泡沫和细水雾灭火系统等），火灾发生后一定时间内，这些灭火系统将动作并向可燃物喷洒灭火剂，可燃物的燃烧状态将被改变，可燃物的热释放速率将减小，直到最终火灾熄灭。不同的灭火剂、灭火系统和喷洒强度等可对可燃物的燃烧状态产生不同的影响。可燃物在采取灭火措施后的燃烧状态是评价灭火系统灭火有效性的依据。
目前，已有一些描述采取灭火措施后可燃物燃烧状态的模型，一些区域火灾模拟软件也能模拟采取灭火措施后的火灾发展状况，但效果都不甚理想。
（六）火灾危害和火灾风险的分析与评估
火灾风险分析与评估的主要目标是准确辨识系统中存在的火灾危险因素，对这些因素的影响程度做出恰当的评价，并在此基础上对火灾的发生和发展过程及其危害做出预测，制定控制与处理事故的措施和方案。
火灾风险评估的判定标准是社会或者决策者的价值表述，它可以是一个极限值、极限值范围或者一个数值分布，每个风险评估对象都有不同的风险评估判定标准。风险评估判定标准的确定与风险承担者的可接受风险程度有关。因此，在确定火灾风险评估判定标准之前，应知晓对风险承担者可接受的损害和伤亡。
风险评估一般应确定火灾危害并对火灾危害的概率和危害后果进行量化、确定危害控制方案，进而量化火灾风险和选择合适的保护措施。
（七）性能化设计与评估中所用方法的有效性分析
不同设计者之间的知识和经验水平有很大差别，应注对所用分析方法的准确性和有效性进行科学的分析和验证。
